LDMOS器件抗輻射關鍵工藝研究

劉 旸，于姝莉

（中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽110032）

1 引言

功率MOS器件，特別是LDMOS（Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductor,橫向擴散金屬氧化物半導體）器件的漏極、柵極和源極都在芯片表面，容易和低壓MOS及TTL器件形成工藝集成，因此廣泛地應用于開關穩壓電源、驅動器等功率集成電路領域，目前已經成為電力電子器件發展的主流。同時，電源作為電子電力系統必不可少的模塊，在航空、航天、核電等輻射環境中應用非常廣泛[1]。為了保證電壓類及驅動類電子元器件在復雜的輻射環境下可以穩定工作，開展LDMOS器件抗輻射工藝的研究極為必要。

2 LDMOS器件輻射失效

2.1 器件結構

LDMOS是一種雙擴散結構的功率器件，縱向工藝結構如圖1所示[2]。多晶硅電極伸展至漂移區的場區SiO2上方，成為場區極板。延伸的場區極板能夠起到弱化漂移區表面電場的作用，有助于提高LDMOS器件的擊穿電壓[3-4]。

圖1 LDMOS結構

2.2 輻射失效機理

LDMOS器件的結構決定了多晶硅電極下方存在較厚的SiO2。在輻射環境中，電離輻射會在SiO2中激發出電子-空穴對，電子空穴對的復合速度低于產生速度。在無外加電應力的情況下，未能及時被電子復合的空穴會被陷阱俘獲形成感生界面陷阱電荷。在施加電應力的情況下，輻射感生的電子空穴對在電場的作用下被分開。由于電子的遷移率要高于空穴的遷移率，電子被電場迅速掃出，而部分未與電子復合的空穴則會被陷阱所俘獲，進而形成更多界面陷阱電荷或氧化層陷阱電荷[5-6]。

在輻射環境下形成的界面陷阱電荷和氧化層陷阱電荷會造成LDMOS器件柵氧化層的耐壓能力下降。在柵極施加電壓時，多余的正電荷會變成額外施加到柵端的電場，使器件的閾值電壓負向漂移，造成器件失效[7-8]。

3 抗輻射關鍵工藝研究

輻射環境下SiO2層產生的電子空穴對中，未能及時被電子復合的空穴被陷阱俘獲形成的缺陷陷阱電荷是LDMOS器件在輻射環境中失效的原因之一，即增加SiO2層對空穴的復合能力，能夠提高LDMOS器件的抗輻射加固能力。因此，可以考慮在熱氧化生長過程中增加氧化層內的負電荷含量，增加空穴被復合的機率，提高LDMOS器件的抗輻射能力。工藝線生產過程中常用的Cl－，是一種很好的負電荷來源。

根據熱運動原理，環境溫度越高，原子運動速度越快，得到的能量也越高，運動中的原子在接近另一個原子時，若吸引能大于排斥能，兩個原子就結合在一起，形成共價鍵。因此，當原子動能不足時，兩個原子的鍵合能越低，就越容易形成共價鍵。Si-Cl化合物為分子結構，鍵合能為3.75eV，而SiO2為原子結構，Si-O鍵合能為4.25eV。因此，SiO2生長環境中含有Cl-離子時，Si會先與Cl-反應生成Si-Cl化合物，再與O2反應生成SiO2。而當SiO2生長溫度足夠低時，生長的氧化層中會固化大量的Cl-離子，達到增加氧化層內負電荷數量的目的。

SiO2生長方式有干氧氧化、H2/O2合成、水汽氧化三種。由于水汽氧化生長的氧化層致密度太低，目前已經棄用。干氧氧化方式生長的SiO2具有致密性高、針孔密度低的優點，但所需的熱氧化溫度也較高。常規采用的熱氧化工藝氧化溫度達到1000℃以上。這種溫度下，能夠形成穩定的Si-O鍵，但無法留存足夠的Cl-離子。H2/O2合成方式生長的SiO2雖然致密性不如干氧氧化，但可以在更低的溫度下生長SiO2。由于生長溫度更低，SiO2內留存的Cl-離子數量也更多?？杀ＷC氧化層均勻性的熱氧化爐最低爐溫為850℃，因此，設計選用850℃下H2/O2合成的方式生長抗輻射加固SiO2。

具體工藝加工流程設計如下：

通入高純N2→升溫至850℃→載片舟出爐→裝入晶圓片→載片舟入爐→停止N2輸入并通入O2→通入反偏二氯乙烯→停止反偏二氯乙烯輸入→5分鐘后通入H2→停止H2輸入→停止O2輸入并通入高純N2→載片舟出爐→取出晶圓片。

由于反偏二氯乙烯與H2同時存在于管道中會生成HCl，造成生長的SiO2質量下降，因此需將反偏二氯乙烯與H2分不同時段通入。

工藝設計完成后，用干氧氧化和抗輻射氧化的方式分別制備SiO2層，采用C-V電荷測試的方式評估氧化層中的氧化層固定電荷Qf和可動離子電荷Qm數量。測試結果如表1所示：

表1 C-V電荷測試結果

由表1的測試結果可知，抗輻射氧化工藝所生長的氧化層內的正電荷數量明顯下降，在個別測試區域甚至并出現了固定電荷為負值的情況，此種情況表明在氧化層內固定了大量的負電荷，達到工藝開發的預期。

4 輻照實驗驗證

分別采用原工藝和新開發工藝制備LDMOS器件。采用原工藝加工的N型和P型LDMOS器件各2只，分別編號為N1Q~N2Q和P1Q~P2Q；選取采用新開發工藝加工的N型和P型LDMOS器件封裝6只，分別編號為N1H~N3H和P1H~P3H。將所選取的10只試驗電路同時進行總劑量輻照試驗。實驗結果如表2及表3所示。

由表2和表3的實驗結果可見，采用新設計工藝的6只LDMOS電路在總劑量輻照試驗后閾值電壓和擊穿電壓的變化量均未超過10%。而采用原工藝的4只LDMOS電路在總劑量輻照試驗后N型LDMOS已經耗盡，P型LDMOS的閾值電壓變化率在50%以上，因此證明新設計工藝有效，驗證了將負電荷固定在氧化層中可以提高SiO2抗輻射加固能力。

表2原工藝LDMOS器件輻照實驗結果

表3新工藝LDMOS器件輻照實驗結果

5 結束語

在對LDMOS器件在輻射環境中的失效機理的分析中可以預見，在氧化層中固定負電荷能夠提高降低輻射環境中SiO2的缺陷電荷產生數量，進而提高LDMOS器件抗總劑量能力。通過實驗驗證，采用新工藝制造的器件抗總劑量能力確實高于原工藝，理論的正確性與實用性得到驗證，也為高壓產品抗輻射加固研究提供了有力的技術參考。